Beschleunigung der Produktion in kleinen, dynamischen Biopharma-Unternehmen

In der Biopharmabranche ist eine schnelle Produkteinführung von entscheidender Bedeutung, da die Nachfrage nach monoklonalen Antikörpern (mAb), bakteriellen Impfstoffen und therapeutischen Säugetierzellen steigt. Weltweit werden jährlich mehr als 17 Millionen Liter biopharmazeutische Proteinprodukte hergestellt. Innovative Lösungen wie der Single-Use-Separator GEA kytero für die hochintensive, kontinuierliche Zellseparation erfüllen die Anforderungen von Herstellern, die von diesem dynamischen Markt profitieren und ihren Erfolg mit robusten und leicht skalierbaren Upstream-Prozessen steigern wollen. Die neuen Perfusionsseparatoren bieten einen transformativen Ansatz, um die Produktausbeute zu vervielfachen, eine beispiellose Produktivität zu erreichen und medizinische Einrichtungen und Patienten schneller zu versorgen. 

Kontinuierlich steht für kosteneffizient

Kontinuierliche Prozesse optimieren die Produktionszeit und reduzieren den Aufwand für das Anfahren biopharmazeutischer Prozesse. Die Bediener müssen nicht mehr bis zum Ende eines Batch-Laufs warten, um die Zellen zu separieren und das Zielprotein – den pharmazeutischen Wirkstoff – aus dem produkthaltigen Medium zu gewinnen. Anstatt die Zellen zu verwerfen, werden sie in den Bioreaktor zurückgeführt, so dass die Produktion nicht nur stunden- oder tageweise, sondern wochenlang laufen kann und vom ersten Tag an ein Produkt liefert. 

Diese Innovation ermöglicht es, neue Produkte schneller auf den Markt zu bringen und bewährte Produkte zu liefern, ohne wertvolle Zeit zu verlieren. Wichtig ist, dass dieselben kultivierten Zellen während des gesamten, mehrere Wochen dauernden Prozesses wiederverwendet werden und nicht für aufeinander folgende Chargen neu kultiviert werden müssen. 

Kontinuierlich bedeutet kosteneffizient, und in der Vergangenheit konnten nur größere Unternehmen von diesem Ansatz profitieren. Dies wird sich mit den neuen Single-Use-Perfusionsseparatoren ändern, die diese Technologie auch für kleinere Pharmaunternehmen verfügbar machen, welche durch begrenzte Platzverhältnisse, geringe Personalressourcen, komplexe Arbeitsabläufe und einen harten Wettbewerb gekennzeichnet sind. Diese Unternehmen sind in der Regel für ihre wichtigsten Prozessschritte auf moderne Einweggeräte angewiesen. Aufwändige Reinigungszyklen, die zusätzlichen Platz, Betriebsmittel, Personal und Zeit beanspruchen, würden sie überfordern. Mit den Single-Use-Separatoren erhielten im Jahr 2021 weltweit erstmals auch kleinere F&E- und Produktionsunternehmen Zugang zu einer einfach zu handhabenden Tellerpaket-Separationstechnologie für Chargenprozesse, die sich durch hohe Effizienz, große Flexibilität und unkompliziertes Handling auszeichnet. Die neuen Einweg-Perfusionsseparatoren der Serie – die ersten ihrer Art – leisten dasselbe für kleine Einrichtungen, die eine kontinuierliche Produktion anstreben.

Bestehende biopharmazeutische Prozesse 

Die Kultivierung von Zellen im Bioreaktor und die anschließende Gewinnung des Produktproteins ist der wichtigste Upstream-Prozess in der biopharmazeutischen Produktion. Nach dem exponentiellen Zellwachstum im Reaktor müssen die Zellen aus dem Behälter entnommen und vom Nährmedium getrennt werden – ein Prozess, der durch Perfusionsverfahren optimiert werden kann. Die Umstellung auf eine Perfusionsanlage erschien in der Vergangenheit jedoch als zu teuer und zu risikoreich. Dies ist einer der Hauptgründe, warum viele Pharmahersteller – selbst größere Betriebe – bisher zögerten. Einweg-Perfusionsanlagen bieten die Möglichkeit, mit vergleichsweise geringem Aufwand und Kosten in die Perfusionsverarbeitung einzusteigen und viele der typischen Einstiegshürden für dieses Verfahren zu beseitigen. Ein Überblick über typische Verarbeitungsschritte ergibt folgendes Bild:

Aufbereitung des Inokulums (der Ausgangszellen)

Unabhängig davon, welcher Prozessaufbau für die Kultivierung und Separation der Zellen verwendet wird, ist die Vorbereitung stets die gleiche: Zellen aus einer kryokonservierten Ampulle werden in Schüttelkolben vorkultiviert, die in einem Inkubator geschüttelt werden. Das Passieren (Entfernen des Mediums und Überführen der Zellen in frisches Wachstumsmedium) kann in standardisierten Zeitintervallen (z. B. jeden zweiten Tag) erfolgen, um die Vermehrung des Zellstammes vor der Inokulation zu fördern. 

Option 1: Batch-Verfahren

Für F&E-Zwecke kann ein einfacher Chargenprozess die effizienteste Methode zur Kultivierung und Separation der Zellen sein. Die Zellkultur kann weniger als sieben Tage oder sogar nur einige Stunden aktiv sein und wird dann in einen kleinen Separator oder eine andere Zellrückhalte-Anlage geleitet, um die Zellen zu trennen und das gewünschte Produkt zu isolieren. Der Hauptvorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass es einfach einzurichten und vor Kontaminationen zu schützen ist. 

Option 2: Fed-Batch-Verfahren

Zellkultivierungsprozesse im Batch-Verfahren können nur eine begrenzte Zeit andauern, bevor die Nährstoffe im Substratmedium verbraucht sind und toxische Nebenprodukte des Zellstoffwechsels einen vorgegebenen Grenzwert überschreiten und die Lebensfähigkeit der Zellen beeinträchtigen. Bei einem Fed-Batch-Verfahren kann dieser Zeitraum auf mehr als 15 Tage verlängert werden. Dies wird erreicht, indem das Medium im Bioreaktor wiederholt durch frisches Substrat aus einem separaten Tank ersetzt wird, wie es in komplexen Zeitplänen vorgeschrieben ist. Auf diese Weise werden toxische Partikel entfernt und zusätzliche Nährstoffe in ausreichender Menge zugeführt, um die Charge aktiv zu halten, wobei die Zufuhrmenge sorgfältig ausbalanciert werden muss, ohne die Kultur zu verdünnen. Nach dem gesamten Batch-Lauf wird das Produkt auf die gleiche Weise geerntet wie beim Standard-Batch-Verfahren. Das Fed-Batch-Verfahren ist anspruchsvoll, aber für die Produktion im kommerziellen Maßstab geeignet. Es liefert qualitativ hochwertige Ergebnisse mit ausreichender Zelldichte und Produkttiter.

Option 3: Perfusionsverarbeitung

Durch den Einsatz eines Perfusionssystems wie dem neuen GEA kytero Perfusionsseparator kann die Zellkultivierung auf mehrere Wochen ausgedehnt werden. Das Medium im Bioreaktor, das Zellen, Zellprodukte und Nährstoffe enthält, wird kontinuierlich in den Perfusionsseparator geleitet, wodurch sofort ein wertvolles Produkt entsteht. Das verbrauchte Medium wird zusammen mit dem geernteten Produkt aufgefangen, wenn frisches Medium in den Reaktor gegeben wird, so dass das Volumen des Nährmediums im Bioreaktor konstant bleibt. Die Austauschrate wird als Gefäßvolumen pro Tag bezeichnet. Die abgetrennten Zellen werden von der Separatoreinheit, die mit einem speziellen Anschluss ausgestattet ist, ohne Verlust der Lebensfähigkeit in den Bioreaktor zurückgeführt. 

Erleichterte Perfusion: Hocheffiziente Tellerpaket-Abscheidung 

Für die gewünschte Zellabtrennung stehen verschiedene Zellrückhalteverfahren zur Verfügung, darunter die alternierende Tangentialflussfiltration oder die Tangentialflussfiltration, die die Partikel nach Größe trennt, während die Tellerpaket-Separation die Zentrifugalkraft nutzt, um die Partikel nach ihrer Masse abzuscheiden. 

Letztere Technologie wurde von den Separations-Ingenieuren der GEA über viele Jahrzehnte weiterentwickelt, wird heute weltweit in der pharmazeutischen Industrie eingesetzt und bietet Vorteile in Bezug auf Effizienz, Flexibilität und Platzbedarf. Die Tellerpaket-Separation hat eine außergewöhnlich hohe Zelldichte und Produktausbeute mit einer Feststoffabscheidung von 99 Prozent. Sie kann an kleine Massenunterschiede angepasst werden und ermöglicht so komplexe automatisierte Trennaufgaben, die täglich geändert werden können. Reibungsfreie und scherungsarme mechanische Konzepte sorgen für minimalen Temperaturanstieg bei maximaler Zellviabilität.

Single-Use: bahnbrechender Komfort

In der kytero Serie von GEA wurde die bewährte „Disk Stack“-Technologie des Unternehmens in besonders kompakte Maschinen mit einem einfach zu handhabenden Einwegelement umgesetzt, das die gesamte Tellerpaket-Technologie enthält. Dieses Element und alle dazugehörigen Zu- und Ableitungen – also alle produktberührenden Teile – werden nach einem Produktionslauf einfach ausgetauscht und bieten so ein Höchstmaß an Komfort und Sicherheit vor Kontamination. Gammabehandelte Austauschkartuschen sind optional erhältlich. 

Die neu eingeführten Perfusions-Abscheider dieser Serie bieten die gleichen Vorteile wie die ursprünglichen Fed-Batch-Separatoren: Eine hygienische Reinigung oder Autoklavierung ist nicht erforderlich, so dass die Maschine innerhalb weniger Minuten für den nächsten kontinuierlichen Prozesslauf bereit ist. Die Separatoren benötigen außer Strom und Luft keine weiteren Hilfsmittel. Sie passen in jede Anlage, insbesondere im Vergleich zu klassischen Filtrationssystemen. Wie bei allen Tellerpaket-Separatoren müssen weder Platz noch Personal für den Filterwechsel vorgehalten werden.
 
Neben der Innovation eines kompakten, geschlossenen und zu 100 Prozent kontaminationsgeschützten Anlagensystems verfügen die GEA kytero Maschinen über ein berührungsloses Antriebssystem, das den Schutz des Biocontainments optimal unterstützt. 

Perfusionsstart und -skalierung

GEA kytero Perfusionsseparatoren sind in zwei Varianten für Bioreaktoren mit bis zu 500 und 2.000 Litern erhältlich und ermöglichen die Prozessbehandlung mit wirtschaftlich reduzierten Mengen teurer Zellstämme. Ein neuer Separator für kleinste F&E-Laboranwendungen, der sowohl für Batch- als auch für Perfusionstests geeignet ist, wird voraussichtlich Anfang 2025 auf den Markt kommen. 

Testbenutzer von GEA kytero Maschinen haben festgestellt, dass sie helfen, bisherige Grenzen zu überwinden. Die mit diesen Prozesskomponenten erzielten Test- und Produktionsergebnisse lassen sich auf größere Single-Use-Modellvarianten und sogar auf die industrielle Produktion mit klassischen Edelstahl-Separatoren der bewährten Baureihen GEA pharma aseptic und GEA pharma pure hochskalieren – immer unter Beibehaltung des technischen Prinzips der Tellerpaket-Separation, das einen sicheren Prozesstransfer gewährleistet und die Validierung erleichtert.

Biopharmazeutische Hersteller, die Perfusionsprozesse etablieren und ihre Position im dynamischen Pharmamarkt ausbauen wollen, sind eingeladen, die Vorteile der Einweg-Perfusionstechnologie für ihren Betrieb zu prüfen.